張 怡
(中鐵西安勘察設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司,西安 710054)
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簡(jiǎn)談鐵路通信系統(tǒng)向LTE-R的發(fā)展與演進(jìn)
張 怡
(中鐵西安勘察設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司,西安 710054)
摘要:簡(jiǎn)要介紹寬帶移動(dòng)通信系統(tǒng)LTE-R,通過(guò)與目前GSM-R系統(tǒng)相比較,發(fā)現(xiàn)LTE-R在性能、安全等方面存在優(yōu)勢(shì),更適用于鐵路的快速發(fā)展,GSM-R系統(tǒng)向LTE-R演進(jìn)也成為未來(lái)必然趨勢(shì)。
關(guān)鍵詞:GSM-R;LTE-R;移動(dòng)通信系統(tǒng)
Abstract:The paper introduces LTE-R broadband mobile communication system. Through comparison between LTE-R and GSM-R systems, it is considered that LTE-R system has advantages in the performance and security and is more suitable for the rapid development of railways, and GSM-R system will evolve to LTE-R system as well.
Keywords:GSM-R; LTE-R; mobile communication system
GSM-R作為專門為鐵路通信設(shè)計(jì)的綜合專用數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng),主要用于承載鐵路車-地之間的無(wú)線通信業(yè)務(wù),為鐵路提供特有的業(yè)務(wù),包括調(diào)度通信、鐵路緊急通信、列尾信息等,為鐵路安全運(yùn)行承擔(dān)著重要的責(zé)任。但隨著高速鐵路快速發(fā)展,列車運(yùn)行速度提高,對(duì)通信技術(shù)的發(fā)展提出了更高的要求,在高速移動(dòng)的列車進(jìn)行順暢高質(zhì)的通信是通信技術(shù)領(lǐng)域的高難度挑戰(zhàn)。
作為第二代移動(dòng)通信技術(shù)的GSM-R屬于窄帶通信系統(tǒng),帶寬窄、頻譜利用率、承載的數(shù)據(jù)速率較低,無(wú)法滿足高速鐵路下視頻監(jiān)控、視頻會(huì)議、與高速數(shù)據(jù)相關(guān)的旅客服務(wù)、列車日志傳送等車-地間不斷出現(xiàn)的大數(shù)據(jù)量通信需求。
國(guó)際鐵路聯(lián)盟(International Union of Railways,UIC)曾經(jīng)提出,目前鐵路通信系統(tǒng)不適合采用現(xiàn)行的3G,而是應(yīng)直接跨越現(xiàn)有的3G技術(shù),向4G時(shí)代邁進(jìn)。目前,高速鐵路移動(dòng)通信采用的技術(shù)戰(zhàn)略為鐵路寬帶移動(dòng)通信系統(tǒng)(LTE-R),并計(jì)劃于2015—2017年開始制定下一代鐵路通信系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)。并且在2010年的第七屆世界鐵路大會(huì)上,中國(guó)鐵路提出發(fā)展LTE-R鐵路寬帶移動(dòng)通信系統(tǒng);次年,國(guó)家設(shè)立了“基于TD-LTE的高速鐵路寬帶通信的關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用驗(yàn)證”的研究課題。
2.1LTE-R系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)
LTE-R對(duì)傳統(tǒng)的3G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化,網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)扁平化,由接入網(wǎng)E-UTRAN和核心網(wǎng)EPC組成。幾個(gè)基站eNodeB與終端用戶設(shè)備(UE)共同組成接入網(wǎng)E-UTRAN。其中核心網(wǎng)EPC則是由服務(wù)網(wǎng)關(guān)S-GW、移動(dòng)管理實(shí)體MME以及分組網(wǎng)關(guān)P-GW所組成。LTE的主要接口為:連接eNodeB與核心網(wǎng)的S1接口,實(shí)現(xiàn)eNodeB之間彼此互聯(lián)的X2接口;是用戶接入到系統(tǒng)的固定接口的LTE-Uu接口。
eNodeB主要功能為接收移動(dòng)終端數(shù)據(jù)信息,以及部分無(wú)線資源管理。同時(shí)還負(fù)責(zé)把IP壓縮和加密,終端用戶設(shè)備(UE)附著移動(dòng)管理實(shí)體(MME)的選擇功能。此外還包括路由功能、尋呼功能、廣播功能、上行傳輸層數(shù)據(jù)包的分類標(biāo)示等。
管理NAS信令以及安全性是MME的主要功能。同時(shí)MME還負(fù)責(zé)把3GPP接入網(wǎng)絡(luò)之間核心網(wǎng)節(jié)點(diǎn)之間移動(dòng)性信令,漫游跟蹤區(qū)列表管理,S-GW 和P-GW位于用戶面分別面對(duì)用戶和PDN終端,為用戶實(shí)現(xiàn)路由選擇、轉(zhuǎn)發(fā)和QoS控制等管理。
S-GW主要功能為eNodeB之間切換時(shí)本地和3GPP之間移動(dòng)性錨點(diǎn),與2G或3G網(wǎng)絡(luò)互連進(jìn)行錨定,下行分組緩沖和網(wǎng)絡(luò)初始化,移動(dòng)性管理等。
其中IP地址系統(tǒng)分配則由P-GW來(lái)實(shí)現(xiàn)。其主要包括對(duì)上下行傳輸數(shù)據(jù)進(jìn)行分類、對(duì)現(xiàn)有數(shù)據(jù)包信息進(jìn)行過(guò)濾以及控制下行速率、合法監(jiān)聽等內(nèi)容。
2.2LTE-R與GSM-R網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的對(duì)比
LTE-R對(duì)比GSM-R移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò),接入網(wǎng)用eNodeB取代原有的GSM-R的BSC-BTS結(jié)構(gòu),eNodeB具備GSM-R系統(tǒng)BSC的無(wú)線資源控制、移動(dòng)性管理;GSM-R系統(tǒng)的基站(BTS)需要經(jīng)過(guò)BSC才能接入核心網(wǎng),但eNodeB能夠直接接入網(wǎng)絡(luò)路由器,由此可提供更好的后向兼容性。LTE-R技術(shù)指標(biāo)大部分已遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于現(xiàn)有的GSM-R,由此大大改善了高速鐵路移動(dòng)通信系統(tǒng)的可靠性,保證了其有效性。
與GSM-R系統(tǒng)不同的是,LTE-R系統(tǒng)的核心網(wǎng)EPC是一個(gè)全I(xiàn)P移動(dòng)網(wǎng)絡(luò),這是兩個(gè)系統(tǒng)最顯著的區(qū)別,包括話音業(yè)務(wù)在內(nèi)的所有業(yè)務(wù)都是建立在分組域上的。在EPC中,IP多媒體子系統(tǒng)(IP Multimedia Subsystem,IMS)相當(dāng)于GSM-R核心網(wǎng)中移動(dòng)交換中心(Mobile Switching Center,MSC)的功能,IP多媒體子系統(tǒng)IMS能夠提供系統(tǒng)的IP多媒體業(yè)務(wù);同時(shí),也能高效傳輸數(shù)據(jù)包分組業(yè)務(wù)和IP交互業(yè)務(wù)。
因此可知,LTE-R的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與其他網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)相比,具有設(shè)備數(shù)量、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)以及網(wǎng)絡(luò)相對(duì)平滑等諸多優(yōu)點(diǎn),并且網(wǎng)絡(luò)的部署也沒(méi)有其他網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,因此,建設(shè)成本較低。核心網(wǎng)系統(tǒng)的復(fù)雜度低,可有效降低系統(tǒng)的時(shí)延,提高傳輸速率,因需要維護(hù)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)量降低,網(wǎng)絡(luò)部署變得更加容易、維護(hù)更加簡(jiǎn)單,同時(shí)減少了單點(diǎn)故障發(fā)生的可能性,增強(qiáng)了網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性,確保移動(dòng)終端漫游時(shí)無(wú)縫切換。且EPC是一個(gè)多接入核心網(wǎng)絡(luò),多種不同的接入網(wǎng)絡(luò)使得用戶不再拘泥于一種接入環(huán)境,而是可以選擇性的接入許多其他環(huán)境,這一技術(shù)突破了原有的單一接入環(huán)境。
2.3LTE-R系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)
LTE-R與GSM-R系統(tǒng)采用的技術(shù)截然不同,LTE-R比GSM-R系統(tǒng)應(yīng)用了更多新技術(shù),諸如多輸入多輸出技術(shù)、自適應(yīng)調(diào)制編碼技術(shù)以及正交頻分復(fù)用技術(shù),使得LTE-R系統(tǒng)中的峰值速率大大提升,并且為QoS在基于分組數(shù)據(jù)的純IP架構(gòu)上的數(shù)據(jù)傳輸提供技術(shù)支持和傳輸保障。
與傳統(tǒng)的頻分復(fù)用/頻分多址技術(shù)相比,正交頻分復(fù)用技術(shù)(OFDM)的傳輸速率較低,由于每個(gè)子信道的符號(hào)周期長(zhǎng)于傳統(tǒng)的頻分復(fù)用/頻分多址技術(shù),因此采用OFDM不僅能夠降低因無(wú)線信道延遲引起的系統(tǒng)時(shí)間擴(kuò)散所帶來(lái)的影響,也能夠使得正交的信號(hào)在其接收端得到分離,減少信號(hào)之間的干擾,確保數(shù)據(jù)能夠得到高效、快捷的傳輸。因此,OFDM技術(shù)的采用不僅解決當(dāng)前傳統(tǒng)技術(shù)頻率不足的現(xiàn)象,而且也能夠?yàn)長(zhǎng)TE-R的傳輸提供較高的傳輸速率。
多輸入多輸出技術(shù)(MIMO)通過(guò)使用多天線在接收端和發(fā)送端同時(shí)接收和發(fā)送信號(hào),構(gòu)成多個(gè)并行的空間信道,使多個(gè)數(shù)據(jù)流可以在同一時(shí)間傳送。此種模式能夠充分利用空間資源,改進(jìn)多徑衰落信道中傳輸?shù)目煽啃?,減少誤比特率,并使多個(gè)用戶同時(shí)獲得服務(wù),這樣能夠大幅度提升其系統(tǒng)容量,實(shí)現(xiàn)在沒(méi)有增加傳輸帶寬的情況下,有效提升數(shù)據(jù)傳輸速率的效果。
通常所說(shuō)的,自適應(yīng)技術(shù)包括自適應(yīng)分配資源、控制功率以及調(diào)制編碼等多項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)。這其中自適應(yīng)調(diào)制編碼技術(shù)指的是為使得通信質(zhì)量可以達(dá)到最佳狀態(tài),在無(wú)線電磁的環(huán)境中,可以根據(jù)改變傳輸信道特征,對(duì)接收裝置以及發(fā)送裝置的特性及參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)修改和調(diào)整,從而獲得最佳通信方式。
通過(guò)應(yīng)用上述技術(shù),LTE-R能夠?qū)崿F(xiàn)高帶寬、高傳輸效率和低傳輸時(shí)延。
LTE-R這一新興的移動(dòng)通信系統(tǒng),其開發(fā)的初級(jí)目的就是為鐵路通信服務(wù)。LTE-R不僅提供鐵路特有的自動(dòng)列車控制、列車信息傳遞等業(yè)務(wù),還提供一些擴(kuò)展業(yè)務(wù),如增強(qiáng)型的多媒體廣播、視頻監(jiān)控業(yè)務(wù);并且作為鐵路信息化建設(shè)平臺(tái),以更小的端到端傳輸時(shí)延,進(jìn)一步提升列控安全性,更大的數(shù)據(jù)傳輸速率,為旅客提供豐富的數(shù)據(jù)體驗(yàn)。
自動(dòng)列車控制(ATC):LTE-R系統(tǒng)的雙向天線通道提供車地間信息傳輸, eNodeB所發(fā)出的信號(hào)由列車上的天線接收,精確的定位信息由GPS或其他的定位系統(tǒng)經(jīng)LTE-R傳輸獲得。
LTE-R系統(tǒng)通過(guò)無(wú)線方式將列車信息進(jìn)行傳送,這些信息包括列車的??课恢?、運(yùn)行位置、列車是否停穩(wěn)以及運(yùn)行速度等諸多的信息。
多媒體廣播也是運(yùn)用了LTE-R系統(tǒng),使用戶在移動(dòng)終端例如手機(jī)、筆記本電腦、或者IPAD上隨意瀏覽并觀看收聽廣播及電視節(jié)目。不僅可以充實(shí)旅客的乘車時(shí)間,而且還可以通過(guò)這種業(yè)務(wù)插播一些廣告,創(chuàng)造一些增值業(yè)務(wù)。
安防系統(tǒng)的核心為視頻監(jiān)控系統(tǒng),其具有內(nèi)容真實(shí)、直觀形象以及及時(shí)傳輸?shù)榷喾N優(yōu)點(diǎn),備受鐵路安全系統(tǒng)的青睞,為鐵路安全系統(tǒng)的高速運(yùn)行奠定了技術(shù)基礎(chǔ),提供了有利保障。
本文從網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù)兩方面簡(jiǎn)要介紹了LTE-R系統(tǒng),通過(guò)比較與GSM-R系統(tǒng)的不同,得出LTE-R系統(tǒng)在性能、安全、服務(wù)多樣化方面的優(yōu)勢(shì),鐵路通信系統(tǒng)向LTE-R演進(jìn)已成必然。但GSM-R向LTE-R的過(guò)渡,需要一個(gè)較長(zhǎng)的階段,隨著研究的不斷深入,技術(shù)不斷成熟,最終逐步淘汰GSM-R系統(tǒng),建立起完善的LTE-R系統(tǒng)。
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收稿日期:(2015-01-26)
DOI:10.3969/j.issn.1673-4440.2016.01.005